直眼掏槽破岩过程模拟与空孔效应分析.pdf

第2 8 卷第4 期 2 0 1 1 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．4 D e c ．2 0 l l D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 1 ．0 4 ．0 0 6 直眼掏槽破岩过程模拟与空孑L 效应分析半 李启月，徐敏，范作鹏，王卫华 中南大学资源与安全工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要基于空孔直眼掏槽的基本形式，运用三维有限元软件u 卜D Y N A ，模拟了槽孔与3 种不同直径空 孔的动态破碎贯通过程，得到了直眼掏槽爆破应力分布规律。模拟结果表明空孔在掏槽爆破中提供初始自 由面，对槽腔岩石破碎具有导向作用；通过3 组模型破岩过程的对比，可以清晰的看出空孔直径越大，破岩过 程的拉伸破坏区域和压缩破坏区域越明显。进一步分析表明，空孔在掏槽爆破中产生空孔效应，改变了槽孔 爆破的应力分布，使空孔与槽孔连线上产生最大拉应力，拉应力的大小与增幅与理论计算较接近。以上研究 可供直眼掏槽爆破中空孔大小选取作参考。 关键词破岩过程；掏槽爆破；数值模拟； 空孔效应 中图分类号T D 2 3 6 ．3文献标识码A文章编号1 0 0 l 一4 8 7 X 2 0 1 1 0 4 0 0 2 3 0 4 S i m u l a t i o no fR o c kF a i l u r eP r o c e s si nC u t t i n gb yP a r a l l e lH o l e a n dA n a l y s i so nE m p t yH o l eE f f e c t z l ，Q i y u e ，X UM i n ，F A NZ u o - p e n g ，W A N GW e i h u a S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e dO Nt h eb a s i cm o d e lo fb l a s tc u ta n dt h r o u g I It h ea p p r o a c ho fL S D Y N A ，t I I ed y 珊m i er o c kb r e a k - a g ep r o c e s sw i t hb l a s th o l ea n dv a r i o u sd i a m e t e r so fe m p t yh o l ei ss i m u l a t e da n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fp a r a l l e lb l a s t c u ti so b t a i n e d ．T h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee m p t yh o l ei nb l a s tc u tp m “d e 8p r i m a r yf r e ef a c e ，w h i c ho r i e n t s r o c kb r e a k a g e ．T h r o u g hc o m p a r i n gt h r e em o d e lt e s t sp r o c e s s ，t h eb i g g e ro ft h ee m p t yh o l ed i a m e t e r ，t h em o r eo b v i o u s o ft e n s i l ef r a g m e n t a t i o na n dc o m p r e s s i o na r e a ．T h em o r ea n a l y s i ss h o w st h ee m p t yh o l ee f f e c tc h a n g e ss t r e s sd i s t r i b u t i o n ，m a k i n gt h em a x i m a lt e n s i l es t r e s sa p p e a ra l o n gt h ec e n t r a ll i n eo ft w oh o l e sa n db e c o m eg r e a t e r ，a n dt h ev a l u e a n da m p l i f i c a t i o no ft e n s i l es t r e s si sc l o s et ot h et h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o n ．T h er e s e a r c hc a np r o v i d ea ni m p o r t a n ti n - s t r u e t i o nt ob l a s tc u td e s i g nb y ∞l e c t i n gr e a s o n a b l es i z eo fe m p t yh o l et of o r mt h ed 髓i g n e dc a v i t y ． K e yw o r d s r o c kf a i l u r ep r o c e s s ；c u tb l a s t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e m p t yh o l ee f f e c t 直眼掏槽中的空孔不仅为槽腔岩石碎胀提供了 初始补偿空间，更重要的是改变了空孔附近岩石中 的应力分布及邻近槽孔的爆破作用。这种现象称为 掏槽爆破的空孔效应．2J 。由于空孔效应对直眼掏 槽岩石的破碎、抛掷以及槽腔的形成具有重要的促 进作用，所以一直是众多学者关注和研究的对象。 收稿日期2 0 1 l 0 8 一0 2 作者简介李启月 1 9 6 8 ～ ．男，湖南衡阳人．副教授，博士，主要从事采 矿教学与科研1 作． E m a i l q y l i m a i l ．C l I ．．S U ．e d u ．c n 。 基金项目教育部新教师基金 2 0 0 9 0 1 6 2 1 2 0 0 8 4 刘殿书和杨善元通过超动态电测实验重点分析了空 孔的应力集中现象及导向作用口j 。林丛谋从理论 上分析了直眼掏槽槽腔介质在爆破作用下向空孔运 动的过程H j 。张奇建立了直眼掏槽基本力学模型， 通过数值计算定量分析了空孔直径对直眼掏槽效果 的影响∞J 。林大能建立了更完善的掏槽物理力学 模型，结合理论分析和敏感因子试验，得出了空孔直 径是影响掏槽效率最显著的因素的结论怕。。刘优 平理论分析了直眼掏槽的空孔力学效应，表明掏槽 爆破中空孔具有应力集中效应和应力波反射破岩效 万方数据 爆破2 0 1 1 年1 2 月 应，现场试验证明适当增大空孔直径能有效地提高 巷道循环掘进进尺_ 7 | 。 由于掏槽过程的复杂性以及现场试验条件的限 制性，数值模拟逐渐成为继理论分析和现场试验研 究爆破作用下岩石的破坏机理及预测爆破破坏范围 的一种新方法。zLW a n g 运用L s D Y N A 软件分别 模拟了炮孔在无限岩体中和存在自由面条件下岩体 的裂纹扩展过程悼J 。周传波运用L S D Y N A 模拟了 4 种不同掏槽方式条件下空孔和自由面对应力波传 播的影响一J 。郑祥滨运用L s D Y N A 动态显示了单 螺旋掏槽成腔过程的压力传播引。这些模拟对炸药 在无限岩体中的爆破作用及槽腔中应力波的传播与 分布研究较多，对直眼掏槽槽腔岩石的动态破坏过程 以及不同直径空孔形成的空孔效应研究并不多见。 通过对岩石施加失效准则，模拟了槽孔与不同 直径空孔的动态破碎贯通过程，显示了不同直径空 孔的破岩范围，分析了不同直径空孔引起的空孔效 应及其对槽腔岩石破坏和槽腔成型的促进作用，对 直眼掏槽爆破选取合理的空孑L 大小具有指导意义。 1 直眼掏槽破岩过程的数值模拟 1 ．1 几何模型 直眼掏槽基本模型可简化为1 个槽孑L 与1 个空 孔”J 。为研究槽孔与空孑L 岩石的破碎贯通过程，取 与槽孔轴线垂直的截面为研究对象，根据某矿凿岩 参数及掏槽基本形式，建立几何模型如图l 所示。 图1 数值计算模型 单位c m F i g ．1 C a l c u l a t i o nm o d e lf o rc u r i n g u n i t c m 图1 中槽孔直径为7 0m m ，药卷直径为5 0m m ， 空孔直径分别为槽孔直径的1 倍、2 倍和3 倍，槽孔 与空孔的距离均为2 5 0m m 。岩体边界长2 0 0c m ，考 虑到模型的对称性和减少计算机的运算量，宽为 1 0 0c m 。由于槽孔和空孔孔径相对于模型纵向尺寸 很小，并且截面大小不随纵向尺寸变化，因此可将模 拟简化为平面应变问题，用单层网格计算，对模型施 加厚度方向约束。根据模型的对称性，对下边界施 加对称边界法向约束，在模型上边界、左边界和右边 界均施加无反射条件。 1 ．2 材料参数 几何模型共涉及3 种材料，即岩石、炸药和空 气。爆破近区岩石发生屈服破坏，选择具有弹塑性 性质的动力学模型M A T P L A S T I C - K I N E M A T I C 模 拟较合理。模拟岩石选用夕卡岩，具体参数如表l 所示⋯。炸药为2 号岩石乳化炸药，选L s D Y N A 内嵌炸药模型M A T - H I G H E X P L O S I V E - B U R N ，状态 方程选用J w L 状态方程，炸药及其状态方程参数如 表2 所示。空气材料采用空材料模型M A T - N U L L ， 密度为1 ．2 9X1 0 。s ／c m ’。添加木M A T - A D D E R O - S I O N 关键字来定义岩石的抗拉强度，当单元的有效 应力达到其设定的抗拉强度时自动消失，以动态显 示槽孔与空孔的破碎贯通过程。 袭1 夕卡岩的力学参数 T a M e1 P r o p e r t i e so fs e r i c i t o l i t em o d e l 表2 炸药及其状态方程参数 T a b l e2P a r a m e t e r so fe x p l o s i v ea n dJ W Le q u a t i o n 注表中A ，曰，R ，，R 2 ，O J 均为与炸药有关的参数。 1 ．3 槽孔与空孔动态破碎贯通过程及分析 槽孑L 与不同直径空孔的动态破碎贯通过程如 图2 所示。模拟结果表明，槽孔起爆8 0 斗s 内，岩石 主要表现为各个方向均匀分布的压缩破坏，空孔效 应未出现。8 0 炉后，由于空孔的存在，改变了爆破 动载荷作用下岩石应力的分布，该应力导致裂纹优 先向槽孔与空孔的连线方向发展，其余方向裂纹的 扩展受到抑制。2 0 0i x s 时，应力波已传到空孔，并 在空孔处产生反向拉应力，反向拉应力造成岩石的 拉伸破坏，其区域与压缩破坏区域的分界线随空孔 直径增大越清晰可见。3 3 0p , s 时，在爆生气体以及 反向拉应力共同作用下，槽孔与空孔已经彻底破碎 贯通。贯通之后，破岩范围基本不变，但会在槽孔与 空孔连线方向上继续形成裂纹。 对比3 组相同时刻不同直径空孔模型的掏槽破 岩效果，可以看出空孔直径越大，槽腔岩石的破坏范 围就越大。这是因为空孔直径越大，反射拉伸波的 波阵面比入射压缩波的波阵面越凹，爆炸能量得到 越多的聚集和利用，爆炸破坏作用范围也就越大，这 点与工程工程实践相吻合。 万方数据 第2 8 卷第4 期李启月，徐敏，范作鹏．等直眼掏槽破岩过程模拟与空孔效应分析 2 5 幸一一一，⋯一r - p 一一一～母- ㈨7 1 川H 卒扎模’纠 ●一睁一●I ．争⋯一 b l1 4 0 m m 奎孔模唯 一◆誊一艏～势” f c l2 1 0m m 空孔模型 8 0 I x s 2 0 0p ．s3 3 0p ．s 图2 不同直径空孔模型掏槽破岩过程图 F i g ．2 H o c kf a i l u r ep r o c e s sw i t hd i f f e r e n t s i z eo fu n c h a r g e dh o l em o d e l 2 基于数值模拟的空孔效应分析 通过L s D A N A 的后处理器，可以分析槽孔爆 破过程中空孔与槽孔问岩石应力分布。分别在与槽 孔连线的空孔壁处以及两孔连线中央的垂直方向选 取4 个单元来记录应力时间历程曲线。需要注意的 是，这里记录的应力时问曲线是取消了控制单元消 失的关键字的结果，因为在破岩过程中，所选取的单 元未达到其最大拉应力而是达到其设定的最大拉应 力即会消失。以1 4 0m m 空孔模型为例，单元选取 如图3 所示，空孔壁单元编号为1 8 6 3 ，两孔连线中 央垂线上单元编号为4 4 3 1 3 ，5 1 9 2 6 和1 6 6 6 4 7 ，垂线 上单元间距0 ．0 6m 。这些单元的应力时程曲线如 图4 所示，从图中可以看出，槽孔起爆舳“s 左右， 垂线上的3 个单元均受到最大压应力，约1 5 0I x s 后，则出现最大拉应力，约2 0 0I x s 后，空孔壁处单元 也出现最大拉应力，其中，单元4 4 3 1 3 ，5 1 9 2 6 ，1 6 6 4 7 以及1 8 6 3 的最大拉应力值分别为1 4 5M P a 、 1 0 8M P a 、8 6M P a 和3 5 2M P a 。7 0m m 空孔模型和 2 1 0m m 空孔模型的应力分布与1 4 0m m 空孔模型基 本类似，不过在对应位置上，7 0t o n i 空孔模型最大拉 应力值分别为9 5M P a 、7 8M P a 、5 7M P a 和2 6 8M P a ， 而2 1 0m r i l 空孔模型最大拉应力值分别为2 6 2M P a 、 2 0 0M P a 、1 2 5M P a 和4 6 7M P a 。可以看出，两孔间及 空孔壁处单元最大拉应力值均随空孔直径增大而增 大，空孔直径增加一倍，两孔连线中央垂线上单元的 应力值增长2 7 ％一3 4 ％，空孔壁处单元应力值增长 2 3 ％；空孔直径增加2 倍，两孔连线中央垂线上单元 ，的应力值增长5 5 ％一6 3 ％，空孔壁处单元应力值增 长4 2 ％。 芒 皇 昌 _ 三 R 倒 图3 1 4 0m m 空孔模型选取单元的位置 F i g 3L o c a t i o n so fs e l e c t e de l e m e n t s 图4 选定单元应力时间历程曲线 F i g ．4T i m e h i s t o r yC U F V e So fs t r e s so fs e l e c t e de l e m e n t s 3 空孔效应理论验证 理论分析可知．最大拉应力出现于与槽孔连线 的空孔壁处，其值可根据式 1 计算⋯ ，r、a 口m 3 3 ．d 1 P 0 l 土l 1 、Ⅱ一r 2 ， 式中口。，为最大拉应力，P a ；r J ，r 2 分别为空孔半 径和槽孔半径．1 1 1 1 1 1 ；A 。为动态侧应力系数，A d 1 一 批／ 1 一脚 ；／z 。为岩石动态泊松比，在工程范围内， 肛d 0 ．耻；／x 为岩石静态泊松比；d 为爆炸载荷传播 衰减指数，d 2 一肛。／ 1 一眦 ；P o 为炸药爆炸冲击 波作用于孔壁的初始压力，P a 。 通过分析式 1 可知，式 1 只能计算空孔壁处 的最大拉应力，对于槽腔范围内岩石其它点受到的 拉应力则无法计算，而数值模拟则可以得到槽腔内 岩石任意位置的受力情况。 将表1 和表2 及建模参数分别代人式 1 ，可 计算出空孔直径分别为7 0m m 、1 0 0m i l l 、1 4 0 Ⅻ、 1 8 0m m 和2 1 0m m 情况下空孔壁处的最大拉应力， 其值依次为3 0 7M P a 、3 4 2M P a 、4 0 1M P a 、4 7 8M P a 和 5 2 7M P a 。通过模拟，还可得到1 0 0m i l l 空孔模型和 1 8 0m m 空孔模型最大拉应力值分别为3 0 5M P a ， 4 3 2M P a 。将计算结果与所有模拟结果绘于图5 中 可以看出，两者变化规律一致，均随空孔直径增大而 增大，在数值上，两者增幅也较接近，但是具体数值 仍有差距。 万方数据 爆破 2 0 1 1 年1 2 月 空孔直径_ ／m m 图5 理论计算与数值模拟最大拉应力值的比较 F i g ．5C o m p a r i s o nb e t w e e nc o m p u t a f i o n a lv a l u e s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nv a l u e s 4 结语 通过直眼掏槽破岩过程的数值模拟及空孔效应 的分析，得到如下结论 1 运用大型数值模拟软件动态显示了槽孑L 与 不同直径空孔的破碎贯通过程，从这些过程中发现， 空孔对槽腔岩石破碎均具有导向作用，且随着空孔 直径的增大，导向作用越显著，槽腔岩石破碎区域也 越大。7 0m m 空孔模型只有数条裂纹贯通，很难看 出槽腔中岩石的拉伸破坏；1 4 0m m 空孔模型和 2 1 0i n i n 空孔模型与槽孔贯通明显，且空孔直径越大， 拉伸破坏区域与压缩破坏区域的分界线也越明显。 2 通过对直眼掏槽中空孔效应的分析可知 空孔效应改变了槽孑L 爆破的应力分布，使两孔间及 空孔壁处单元最大拉应力值均随空孔直径增大而增 大。空孔直径增加一倍，两孔连线中央垂线上单元 的应力值增长2 7 ％一3 4 ％，空孔壁处单元的应力值 增长2 3 ％；空孔直径增加两倍，两孔连线中央垂线 上单元的应力值增长5 5 ％一6 3 ％，空孔壁处单元应 力值增长4 2 ％。 3 理论计算和数值模拟均表明在空孔壁处会 出现最大拉应力，该拉应力随空孔直径增大而增大， 理论计算值与数值模拟值变化规律一致，数值上两 者增幅也较接近，具体数值上仍有差距。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]林大能．平巷掏槽爆破空孔尺寸效应及围岩频繁震动 损伤累积特性研究[ D ] ．长沙中南大学博士学位论 文，2 0 0 6 2 2 - 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